国内外移动容器防波板设置要求对比分析

(1.上海市气体工业协会,上海 200030；2.机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司,上海 200000)

0 引言

移动式压力容器的储运介质在运输过程中会发生晃动，由于装载介质的质量较大且存在惯性，遇到紧急刹车或急转弯时，车辆重心发生偏移，容易导致车辆发生侧翻、追尾等事故，罐体也容易因外壳支撑部位和内容器与防波板连接部位承受局部应力过大而发生破坏。此外，液体在晃动过程中会产生静电和热量，使得容器内部的压力上升，严重时会发生爆炸，危及移动容器的安全[1]。

防波板也称防冲板、防浪板，是罐体内部能够部分隔断横截面但不封闭液体的，用于偏转、阻隔或调整液体流向的结构[2]。相关研究结果显示，移动罐车装设防波板后，在车辆制动时，罐体内部的液体压强分布更加均匀，能有效降低罐体内介质的晃动程度及其对罐体的峰值冲击力[3]，减少侧翻、追尾等事故的发生。根据对相关网站、文献、媒体公开报道的检索汇总结果，在2000～2016年间发生的200余起移动式压力容器相关的事故中，明确事故原因为车辆发生侧翻、追尾的占比最大，达到50%以上。由此可见，防波板的设置对移动式压力容器，特别是汽车罐车的安全运输有重要的影响。如何合理设置防波板也是移动式压力容器行业比较关注的问题。

国内外移动式压力容器(除铁路罐车外)相关标准中，防波板均作为一个重要的部件，在容器设计时对防波板的设置给出了相关要求。本文将对国内外标准中有关防波板设置的要求进行汇总和对比，明确防波板的设置原则和技术要求。由于铁路罐车运输过程中不存在急停、急转的工况，可追溯的建国以后的铁路罐车产品基本都没有设置防波板，相关规范和标准中也未提出设置防波板的要求，本文中将不作比对分析。

1 国内规范标准中对防波板设置要求

根据液体、液化气体和冷冻液化气体等主要介质类别选取了几个典型移动容器产品标准，将防波板设置要求进行汇总，见表1。

表1 国内主要规范标准中防波板设置要求汇总

2 国外规范标准对防波板设置要求

国外有关移动式压力容器的标准和规范也比较多，针对我国移动容器行业产品设计时常用的规范和标准，将国外标准对防波板设置相关要求进行汇总，见表2。

表2 国外主要规范标准中防波板设置要求汇总

3 国内外规范标准中防波板设置要求对比分析

3.1 对比内容汇总

国内外防波板设置的要求存在一些差别，主要从防波板设置的前提条件、防波板数量、防波板面积和防波板结构强度要求等方面分别进行汇总，见表3。

表3 国内外主要规范标准中防波板设置要求对比

3.2 对比内容分析

根据表3中几个方面内容的汇总，结合国内移动式压力容器行业的现状，对以下几方面情况进行了对比分析工作。

3.2.1 防波板设置的原则

国内移动式压力容器规范和标准中，对用于运输危险液体、液化气体、冷冻液化气体等介质的汽车罐车和罐式集装箱产品，在是否需要设置防波板的规定存在区别。

(1)汽车罐车。国内用于公路运输的汽车罐车类产品，基本统一要求装设防波板。这一要求也与国内道路运输车辆事故中发生侧翻、追尾的占比最大的情况相匹配。同时，道路运输受路况和司机驾驶习惯的影响较大，对汽车罐车提高要求，可以部分弥补路况和驾驶人员素质差别造成的风险。

(2)罐式集装箱。国内罐式集装箱产品防波板的设置原则，基本参照了国外相关规范的要求，将充满率控制(对于危险液体还提出了黏度要求)作为前提条件。但是，用于铁路运输的罐式集装箱产品，则采用了铁路罐车不设置防波板的要求。这与最早装设了防波板的用于运输液化石油气、汽油、甲醇等介质的铁路罐箱发生过防波板开裂，以及防波板端部及其与罐体焊接部位不容易清洗干净等因素有很大关系。TJ KH013—2013《铁路液化天然气(LNG)罐式集装箱运输设施设备暂行技术条件》修订过程中，也依然延续了不设防波板的要求。这对用于公、铁、水(海)多式联运的罐式集装箱产品通用性产生较大的影响。

国外ADR、IMDG等规范中，针对的是所有危险货物，其对防波板的设置不是一概而论。针对危险液体、液化气体、冷冻液化气体等介质，在介质黏度、充满率等方面给出了一些设置原则。美国低温液体汽车罐车标准CGA-341，则通过罐体长度(是否超过4.6 m)，对是否需要加装防波板进行了规定。

相比较而言，国内移动式压力容器对防波板的设置，基本是在产品标准层面结合产品特点给出了各自的要求，缺少对于设置原则的总体规定。而国外的规范中，则对移动式压力容器防波板的设置原则给出了明确的规定，在产品标准中再给出防波板设置的具体技术要求，相对来说更科学、更合理。

3.2.2 防波板设置数量要求

增加防波板的数量，可以使得移动容器内介质晃动变得更平缓，有利于移动容器的平稳运行[15]，但是，相应地会增加材料成本、加大罐体自重、提高运输能耗。因此，如何确定合理的防波板数量也是行业比较关注的问题。

近些年修订的国内标准，基本都参照了ADR和IMDG等国际规范的要求，通过限定防波板间的容积不超过7.5 m3来确定防波板的数量。国外ADR和IMDG规范中，都统一通过控制防波板间的容积来确定防波板的数量，且基本都规定了防波板间容积不大于7 500 L的要求。

但是，在国外不同地区的产品标准中，对防波板数量的要求还有不同的规定。国外主流的ASME Ⅻ和ISO 20421-1标准中规定，防波板之间的容积应不超过10 500/ρ介质(L)。据此，防波板间的容积要求将因介质密度不同而发生变化。介质密度越大，防波板间的容积要求减小，相应的防波板数量将增多。对于密度最大的液氩介质来说，其计算后得到的防波板间容积正好为7.5 m3，如表4所示。对于ADR和IMDG等规范中，罐式集装箱等产品按照指南来划分类别或等级，实际使用过程中可能发生介质变更的情况，采用最大密度介质严格要求，可以增加产品的通用性。

表4 不同密度介质的防波板间容积计算表

美国CGA 341—2007通过罐体长度来控制防波板数量：长度超过15 ft(4.6 m)的液体罐应加装防波板，超过30 ft(9.1 m)的液体罐应加装多块防冲板。这种规定比较粗放，未考虑罐体直径和介质密度的影响。以直径为2 m的汽车罐车罐体为例，计算防波板间的容积可以达到57.8 m3，显然不够合理。

但是，对于国内仅限于单一介质运输使用的汽车罐车、罐式集装箱来说，限定7.5 m3存在一定的不合理性。如表4所示，对于密度较低的液化天然气(液态甲烷)来说，按照10 500/ρ介质(L)公式计算得到的防波板间的容积，可以放大到24.6 m3。对应于国内目前常见的52.6 m3规格的LNG汽车罐车来说，仅需安装两块防波板即可。相比业内目前普遍的5～6块防波板，存在较大的调整空间。

针对表1中液氩(LAr)和液化天然气(LNG)介质及其防波板间容积的参数，采用ANSYS软件建立模型，进行分析对比，对比模型边界条件见表5，对比结果见图1，2。

表5 液氩(LAr)和液化天然气(LNG)对比模型边界条件

图1 装载液氩(LAr)时防波板与筒体连接部位应力云图

图2 装载液化天然气(LNG)时防波板与筒体连接部位应力云图

从图1,2中可以看出，按照ASME Ⅻ和ISO 20421-1标准，根据不同介质密度计算得出不同的防波板间容积的罐体，装运介质时在防波板与筒体连接部位的应力水平基本一致，差别很小。

由此可见，国外主流标准中，根据不同介质的密度计算得到的防波板数量，应该是比较合理的要求。这一要求，也得到了国内移动容器设计制造单位和行业技术机构的认可。但是考虑到国内道路状况和司机驾驶习惯的问题，以及道路运输车辆事故中发生侧翻、追尾的占比较大的情况，在相关标准制修订时，也未直接采用通过不同介质密度调整防波板间容积的规定。

3.2.3 防波板面积要求

目前，国内外标准中对防波板面积的要求，基本都统一要求不小于所在位置筒体横截面积的70%。国内NB/T 47058—2017《冷冻液化气体汽车罐车》标准修订时，将原JB/T 4783—2007《低温液体汽车罐车》中防波板面积不小于筒体横截面40%的要求调整为了70%，同时相应地放大了防波板间容积的限制。防波板面积不小于筒体横截面积的70%，能够将防波板顶部和底部的空间控制在20%以内，也与国外规范中充满率低于20%或高于80%时无需安装防波板的要求相符合。

防波板的面积与数量是一组相关的数值，在不影响装卸的情况下，面积越大、效果越好。同时，防波板的形状，也对防波板的效果影响较大，整体的防波板设计比分散设计的防波效果更好[16]；相同面积时，不同形状的防波板(圆环形、条形、弓形)的防波板，弓形板防波效果最为显著[17]。但是，综合考虑防波板的数量、面积、形状、介质密度等因素，并考虑安全性和经济性问题，则需要借助流体力学分析软件进行大量的数值模拟分析得出最优结果。

3.2.4 防波板结构强度要求

根据相关数值模拟分析结果，罐内液体晃动产生的最大压强远大于初始最大静压强，流场湍流剧烈[18-19]。设置防波板可以降低罐体所受的总冲击力，使得罐车内介质晃动变得更平缓，有利于罐车的平稳运行。

移动容器罐体的环向刚度较小，承受载荷后具有环向膨胀的趋向。设置防波板后，防波板环向刚度增大，限制了罐体的环向膨胀，同时存在局部应力集中。如果局部结构设计不合理，容易在承受载荷时(如耐压试验、紧急刹车等)使连接部位的角焊缝开裂，造成防波板的损坏或脱落。此外，运输过程中防波板频繁受到介质冲击作用，容易使防波板与罐体连接部位的角焊缝出现疲劳裂纹，采用螺栓固定的部位也容易发生松脱现象[20-22]。因此，国内外标准在防波板设置中，对结构强度均给出了具体要求。

国内标准规定：防波板与罐体的联接应牢固可靠，防波板应能承受惯性力的共同作用，防止产生裂纹和脱落。从运动方向来看，防波板承受的纵向冲击载荷应为防波板间的介质质量乘以2g的加速度。这一要求与ASME Ⅻ和ISO 20421-1标准一致。

CGA 341标准规定每块防波板在设计时，应考虑不小于3/4g加速度(注：防波板最大受力状态下，即1/2装载质量乘以1.5g冲击载荷)乘以每个防波板间的质量的纵向冲击载荷，许用应力等于室温下极限强度的1/4。这一要求与中国标准规范存在较大差别，也难以适用国内的许用应力和安全系数规定，不具有参考价值。

4 结语

国内的安全技术规范仅给出防波板设置的原则性规定，直接通过相应产品标准给出了具体要求。国内近几年修订后的产品标准，基本上都与ADR,IMDG等国际主流规范中的防波板设置原则和设置要求相一致。但是，国内标准要求铁路运输的罐式集装箱产品不应设置防波板，对于公、铁、水(海)多式联运的罐式集装箱产品来说，将造成标准要求冲突的问题，对该类产品的设计、制造带来困扰。从本文的对比分析可以看出，设置防波板对于公路运输的汽车罐车来说是必需的；对于水路运输的罐式集装箱来说，虽然有充满率和黏度的前提条件，但是需要根据具体的运输和使用工况，考虑设置防波板；而铁路运输用罐式集装箱不应设置防波板的要求，无法适应国内多式联运快速发展的需求。因此，建议按照NB/T 47059—2017《冷冻液化气体罐式集装箱》标准的要求，统一设置防波板，以满足公、铁、水(海)多式联运各个环节的要求，真正打通从液源地到终端用户的整个运输链条。

从防波板设置数量上来看，由于防波板间容积的限制要求存在差异，导致防波板的数量要求差别较大。通过以上的比较计算和模型分析结果来看，ASME Ⅻ和ISO 20421-1标准中，根据装运介质的不同密度计算得到不同的防波板数量要求，是科学合理的。国内相关标准修订过程中，由于对国内道路状况和司机的驾驶习惯，以及道路运输车辆发生侧翻、追尾事故多、占比大等因素，未能直接与ASME Ⅻ和ISO 20421-1标准接轨，仅适当放宽了防波板间容积的上限要求。对于密度较小的LNG等介质来说，防波板的数量过多，从经济性角度，会造成不必要的浪费；从安全性角度，也产生了更多的薄弱点，增加了使用风险。希望行业技术机构重点开展相关分析和研究，论证ASME Ⅻ和ISO 20421-1标准中防波板设置要求的合理性并纳入国内相关产品标准中，根据介质密度的差别，合理减少防波板数量，降低能耗、提升产品的经济性。